（通信与信息系统专业论文）lteadvanced系统中comp技术研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 l t e a d v a n c e d 系统中c o m p 技术研究 摘要 l t e 系统是3 g p p 在移动通信宽带化的趋势下推出的准4 g 系统，其物理 层采用了先进的o f d m 和m i m o 等关键技术，大幅提高了系统的性能。l t e a d v a n c e d 系统是l t e 系统的进一步演进，是3 g p p 向l t u 提交的i m t - a d v a n c e d 候选的4 g 技术，其在原有l t e 系统的基础上引入载波聚合、增强型m i m o 、 c o m p 等技术，从而支持了更高的带宽和传输速率，进一步提高了系统的整 体性能。 c o m p 技术是l t e a d v a n c e d 系统中的关键技术，由于其可以在多个小 区间共享信道或数据信息，相比于传统单小区机制下l t e 系统的现有技 术，将更为有效的提高小区边缘用户的性能，进而提升用户的整体体验。所 以，对c o m p 技术的深入研究有着重要的意义。 本文简要介绍了l t e 及l t e a d v a n c e d 系统的物理层标准和关键技术， 并对l t e a d v a n c e d 系统中的c o m p 技术进行了重点研究。总结了现阶段 c o m p 技术标准化过程中形成的规范，结合标准化提案中的技术概述，对三 种典型的c o m p 算法进行了深入的研究，给出了各种算法的完整实现流 程，应用基于o p n e t 软件丌发的仿真平台对各种典型算法进行了系统级的 仿真验证。最终在对各种典型c o m p 算法的分析和理解的基础上，提出了 “一种结合波束赋形和预编码的c o m p 算法”，并应用基于m a t l a b 和 o p n e t 软件开发的仿真平台分别对新算法进行了链路级及系统级的性能仿 真，验证了新算法的正确性，对新算法的优势及不足进行了客观的分析。 关键词l t e 系统；l t e a d v a n c e d 系统；c o m p 技术；边缘用户 哈尔滨理丁人学t 学硕i ：学位论文 r e s e a r c ho nc o m p t e c h n o l o g y i nl t e - - a d v a n c e ds y s t e m a b s t r a c t l t es y s t e mi sap r e 一4 gs y s t e mp r o p o s e db y3 g p pi nt h et r e n do fi n c r e a s i n g t h eb a n d w i d t ho fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s i ta d o p t ss o m ek e yt e c h n o l o g i e sl i k e o f d ma n dm i m o ，w h i c hc a ni m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e l t e a d v a n c e d s y s t e mi sa ne v o l u t i o no ft h ec u r r e n tl t es y s t e m i ti sa s u b m i t t e dt e c h n o l o g yb y 3 g p pt ol t ua so n eo ft h ec a n d i d a t et e c h n i q u e sf o r4 gm o b i l es y s t e m s b a s e do n t h e e x i s t i n g l t e s y s t e m ，l t e a d v a n c e d i n c l u d e sc a r r i e r a g g r e g a t i o n ， s t r e n g t h e n e d m i m oa n dc o m pe t c ，w h i c hc a ns u p p o r th i g hd a t ar a t ea n d b a n d w i d t h ，a n dt h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c e i sf u r t h e r i m p r o v e d a sa c o n s e q u e n c e c o m pi sak e yt e c h n o l o g yo ft h el t e a d v a n c e ds y s t e m s i n c ei tc a ns h a r e d a t aa n dc h a n n e li n f o r m a t i o nb e t w e e nm u l t i p l ec e l l s ，t h eu s e rp e r f o r m a n c ea tc e l l e d g e i sm o r ee f f e c t i v e l y i m p r o v e dc o m p a r e d t ot h et r a d i t i o n a ls i n g l ec e l l m e c h a n i s mo fl t es y s t e m ，w h i c hr e s u l t si nb e t t e re x p e r i e n c ef o ru s e r s t h u s ，t h e r e s e a r c hi nt h ec o m p t e c h n o l o g yi sv e r ym e a n i n g f u l t h i st h e s i si n t r o d u c e db r i e f l yt h ep h y s i c a ll a y e rs t a n d a r da n dk e y t e c h n o l o g i e so fl t ea n dl t e - a d v a n c e ds y s t e m ，a n dm o r er e s e a r c hw a sd o n eo n t h ec o m pt e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，t h i st h e s i ss u m m a r i z e dt h ec o n c l u s i o nf o r m e d d u r i n gt h es t a n d a r d i z a t i o np r o c e s so ft h ec o m pt e c h n o l o g y , c o m b i n e dw i t ht h e t e c h n o l o g y a b s t r a c ti nt h ep r o p o s a l s ，t h r e ed i f f e r e n tc o m pt e c h n i q u e sw e r e s t u d i e d ，t h e i rc o m p l e t ei m p l e m e n t a t i o nf l o ww e r ed e s c r i b e d ，a n ds y s t e m - l e v e l s i m u l a t i o nw a sc o n d u c t e du s i n go p n e t , t ov e r i f yt h ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c e f i n a l l y , b a s e d o nt h eu n d e r s t a n d i n ga n dc o m p a r i s o nb e t w e e nd i f f e r e n tc o m p t e c h n o l o g i e s ，t h i st h e s i sp r o p o s e dan e wa l g o r i t h mn a m e d “ac o m pa l g o r i t h m w h i c hc o m b i n e dt h eb e a m f o r m i n ga n dp r e c o d i n gt e c h n i q u e s ”t h i sa l g o r i t h m w a ss i m u l a t e da n dv e r i f i e db yu s i n gt h el i n k l e v e la n ds y s t e m l e v e ls i m u l a t i o n p l a t f o r mc o n s t r u c t e db ym a t l a ba n do p n e tr e s p e c t i v e l y , t h ec o r r e c t n e s so f 哈尔滨理t 大学t 学硕l j 学位论史 t h ea l g o r i t h mw a sv e r i f i e d ，a n dt h es t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e so ft h i sa l g o r i t h m w e r ea n a l y z e d k e y w o r d s l t es y s t e m ，l t e - a d v a n c e ds y s t e m ，c o m pt e c h n o l o g y , e d g eu s e r 1 1 1 哈尔滨理t 人学丁学硕f ：学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着无线通信技术的飞速发展，人类“在任何时间、任何地点和任何人 通信 的梦想已经逐渐变为了现实。无线通信经历了从第一代模拟系统，第 二代数字系统的演进，现今第三代( 3 g ) 的数字多媒体系统已经走进了人们的 生活。由于3 g 系统的核心网还没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网 结构，所以普遍认为3 g 系统是一个从窄带向未来宽带移动通信系统的过渡 阶段。随着用户对移动宽带业务需求的不断提高，人们已经把越来越多的目 光投向e 3 g ( e v o l v e d3 g ) 或第四代( 4 g ) 移动通信系统1 1 , 2 1 ，通过在概念和技术 上寻求创新和突破，从而使未来移动通信系统的系统容量和传输速率有十倍 甚至百倍的提高。 2 0 0 4 年底，伴随着w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i li t y f o rm i c r o w a v e a c c e s s ) t 3 4 i 技术的迅猛崛起，3 g p p ( 3 mg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 启动了 u m t s ( u n i v e r s a l m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 技术的长期演进 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) i 5 - 1 0 l 项目。这项备受瞩目的技术与3 g p p 2 ( 3 坩 g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 2 ) 的u m b ( u l t r am o b i l eb r o a d b a n d ) t 1 1 j 技术统称 为e 3 g 技术。l t e 、u m b 、w i m a x 等技术由于已经具备了第四代( 4 g ) 通信 技术的特征，因此被看做“准4 g 技术。 l t e 系统分为t d d 和f d d 两种模式，t d d 模式主要由中国主导的 t d s c d m a 技术演进而来，f d d 模式主要由w c d m a 技术演进而来。 2 0 0 7 年1 1 月举行的无线接入网工作会议上，在中国的促使下3 g p p 将原有 的两种l t e t d d 帧结构整合为了基于t d s c d m a 的融合帧结构，并与 f d d 的帧结构进行了统一。至2 0 0 8 年3 月，l t e 系统的标准化接近完成 之际，为了满足i t u r ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n r a d i o ) 关于 i m t - a d v a n c e d ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s a d v a n c e d ) ( 4 g ) l 拘技 术征集需要，3 g p p 又丌启了l t e 的进一步演进技术l t e a d v a n c e d l l 2 - 1 4 1 项目 的序幕，确定将以l t e 系统的r e l e a s e l 0 版本作为l t e a d v a n c e d 系统的首 版本向i t u r 提交，成为i m t - a d v a n c e d 的候选技术，并将在t d d 和f d d 两种模式的框架下共同向i m t - a d v a n c e d 演进。图1 1 给出主流3 g 移动通信 标准向i m t - a d v a n c e d 演进的线路图【1 5 i 。 。 2 g3 ge 粥 c d m a 2 0 演进路线l 一一13 x i e m v b d ，s r l v g 聊圊哥 r ix e vd o r e v 0 、几xe vd o r o y a 、rd o r c v b 、r u m b r c v c 、 1 d l ：2 4 m b s hd l ：2 4 m b shd l ：4 6 5 m b $ hd l ：2 9 8 m b sl l u l ：1 5 36 k b s lu l1 5 36 k b s lu l ：2 7 m b $ lu l ：7 5 m b s ，r、 噼菘s )避剧高h s 裟d p a 僦 p 2 ) 旭魍 ，l t ef d d 、 o f d m + m i m o d l ：1 0 0 m b s lul 5 0 m b s ，rl t e t d d 、 o f d m + m f m o 1d l ：i o o m b s l m t - lu l ：5 0 m b 3j ， a d v a n c e d l o o m b s - l t e l g b s - s c d m a 演进路线 融合模式 l ：竺j l 竺竺ji = 竺：j w i m a x 演进路线 圄副法卜 f e e 图1 - 1 主流3 g 移动通信标准向i m t - a d v a n c e d 演进线路图 f i g 1 - 1e v o l u t i o nf r o mm a i n3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dt oi m t - a d v a n c e d 2 0 0 8 年底，为了进 协作多点传输与接收 r e c e p t i o n ) 技术被引入了 一步提高l t e a v a n c e d 系统小区边缘用户的性 c o m p ( c o o r d i n a t e dm u l t i p l ep o i n t t r a n s m i s s i o n 能， a n d l t e a d v a n c e d 系统的标准化议程中，开始了技术提 案的征集工作1 1 6 1 。c o m p 技术要求参与协作的小区之间共享一定量的数据或 信道状态与统计信息，所以相对于传统单小区机制下的l t e 系统的现有技 术，在提高小区边缘用户性能方面表现出了明显的优势。因此，对c o m p 技术的深入研究具有重要的意义。 1 2l t e a d v a n c e d 系统中c o m p 技术的研究现状 术 在 c o m p 技术作为一项提高和完善l t e a d v a n c e d 系统整体性能的重要技 ，自其被提出以来一直受到广泛的关注，并作为3 g p p 标准化讨论的焦点 每次3 g p p r a n i ( 3 g p p r a d i oa c c e s sn e t w o r k1 ) 会议上都会收到相当数 哈尔滨理t 人学t 学硕一f ：学位论文 量的技术提案。在这些提案中，对c o m p 技术的研究主要集中于以下几个 方面： 1 2 1c o m p 的分类 关于c o m p 技术的分类的问题，目前标准上已经形成了明确的规范。 从参与c o m p 协作的小区之间是否需要共享数据信息，c o m p 技术可以分为 联合处理j p ( j o i n tp r o c e s s i n g ) 技术和协作调度波束赋形c s c b ( c o o r d i n a t e d s c h e d u l i n g b e a m f o r m i n g ) 技术两类。 1 2 2c o m p 的反馈和信令交互 c o m p 技术由于需要完成多小区的协作服务，因此关于c o m p 的反馈和 c o m p 小区间信令的交互，一直是标准化讨论的焦点，同时也是c o m p 技术 实现的难点。现阶段标准上大体上规范了三种反馈模式：显式信道状态统 计信息的反馈、隐式信道状态统计信息的反馈、基于s r s ( s o u n d i n g r e f e r e n c es i g n a l ) 的反馈。c o m p 小区间信令的交互，与c o m p 的反馈形式 及实现的方案都有着必然的联系，采用c o m p 技术后将对现有l t e 系统中 关于x 2 接口方面的规范有着较大的改变，在技术提案和标准化会议的分析 和讨论中对这部分内容还没有形成具体的规范。 1 2 3 关于c o m p 的l t e a d v a n c e d 系统的参考信号的设计 参考信号是用户端测量的来自基站的特定信号，是用户进行信道估计及 信道状态信息c s i ( c h a n n e ls t a t el n f o r m a t i o n ) 钡, 0 量的重要依据。参考信号的 设计将直接影响系统的整体性能和设计方案。标准中规定在目前l t e r e l e a s e l 0 版本中c s i r s ( c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n r e f e r e n c es i g n a l ) 的设计 方面将考虑潜在的c o m p 需求。此外，可以预见由于c o m p 技术实现的需 要，在后续的l t e a d v a n c e d 系统的版本中诸如s r s 等参考信号也将会有相 应的调整。 3 g p p 在其标准化文件1 1 7 j 中，对目前c o m p 技术标准化过程中形成的结 论进行了收录，本文后续的章节中也将有详细的介绍。 虽然c o m p 技术有其自身的特点和优势，业界也公认理论上c o m p 技 术必将对提高小区边缘用户的性能有明显的帮助。但是由于其实现的复杂度 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 很高，同时在很多方面对现有的l t e 系统标准都会较大幅度的修改，需要 考虑的因素很多，所以各公司在具体的方案上很难达成一致，对c o m p 技 术的具体性能评估也几经波折，进行的十分困难。可以说c o m p 技术既是 l t e a d v a n c e d 系统标准化研究讨论的热点，也是一个难点，在标准化方面 进展缓慢。3 g p p 在陆续开始了l t e r e l e a s e l 0 的各项技术的w l ( w o r ki t e m ) 阶段后，根据标准化时间结点的需要，最终确定在l t e r e l e a s e l 0 的版本中 将不会引入c o m p 技术，只是在诸如c s i 。r s 的设计等方面会考虑潜在的 c o m p 需求，并在其r a n 4 7 次全会上确定了在将从2 0 1 0 年6 月开启新的 c o m p 技术的s i ( s t u d yi t e m ) 阶段，后续结合标准化会议的具体议程进展， 新的c o m p 技术的s i 阶段开启的时间点被重新确定为2 0 1 1 年3 月。虽然对 c o m p 技术的标准化被暂时的放缓，但是3 g p p 对c o m p 技术本身还是给与 了充分的肯定，在其确定l t e r e l e a s e l l 技术立项的r a n 5 0 次全会上首批 通过了c o m p 技术将会成为l t e r e l e a s e l l 版本的研究技术而被重新引入到 后续的l t e a d v a n c e d 系统中立项1 1 8 1 ，由此可见，在将来的很长时问内， c o m p 技术都将是3 g p p 后续标准化及业内学术研究的热点。 1 3 论文主要研究内容 本文将对l t e a d v a n c e d 系统中的c o m p 技术进行详细的研究，结合对 现阶段c o m p 技术标准化进展及典型实现算法的研究和验证，提出“一种 结合波束赋形和预编码的c o m p 算法，对新算法的正确性进行链路级与系 统级的仿真验证，并对其优势与不足做出客观的分析。 全文共分五章，主要内容如下： 1 对l t e 及l t e a d v a n c e d 系统的物理层标准及关键技术进行研究， 为后续c o m p 技术的研究打下理论基础。 2 跟踪c o m p 技术最新的标准化进展，把握c o m p 技术的发展方向。 3 对现阶段c o m p 技术标准化过程中形成的三种典型算法进行详细的 研究，结合相应标准提案中的技术概述，给出每种算法详细的实现步骤，并 应用基于o p n e t 软件开发的系统级仿真平台对每种算法进行性能验证，加 深对c o m p 技术的理解。 4 通过对现有典型算法的分析，提出“一种结合波束赋形和预编码的 c o m p 算法 ，分别应用基于m a t l a b 和o p n e t 软件开发的两个仿真平 台，对新算法进行链路级与系统级的仿真验证，证明新算法的j f 确性，并对 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 其优势与不足给出客观的分析。 最后对全文所做工作进行总结，并对某些尚未解决的问题和今后的研究 方向提出了进一步的研究建议。 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 第2 章l t e 及l t e a v a n c e d 系统物理层 标准和关键技术 l t e 系统及其后续演进版本l t e a d v a n c e d 系统，均以 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) f f 【lm i m o ( m u i t i p l ei n p u t m u l t i p l eo u t p u t ) 为核心技术，所以与其说它们是3 g 系统的演进 “e v o l u t i o n ，不如说是革命“r e v o l u t i o n ”。在物理层方面l t e 及l t e a d v a n c e d 系统较以往的通信系统也有很大的不同。本章将对l t e 及l t e a d v a n c e d 系统物理层标准及关键技术进行简介。 2 1l t e 系统物理层标准概述 3 g p p 在t s 3 6 2 0 0 系列协议0 9 - z ：l 中对l t e 及l t e a d v a n c e d 系统的层 1 ( 物理层) 标准进行了介绍。结合本文中研究的c o m p 技术的需要，下文将 主要从系统帧结构、物理层下行链路两方面对l t e 系统的物理层标准进行 概述。 2 1 1l t e 系统帧结构 l t e 系统以正；1 ( 1 5 0 0 0 x2 0 4 8 ) s 为基本的时间单位，上下行传输均以 l ；3 0 7 2 0 0 z 一1 0 m s 作为一个无线帧。分为t d d 和f d d 两种帧结构。 f d d 帧结构适用于全双工和半双工f d d 两种方式，其一个无线帧由2 0 个t ，。，；1 5 3 6 0 x z ；0 5 m s 的时隙组成，两个相邻的两个时隙又组成了 3 0 7 2 0 x z ；l m s 的子帧，如图2 1 所示。在全双工f d d 方式中，每个l o m s 的无线帧期问，上下行传输同时在两分离的频段上分别进行，在半双工 f d d 方式中，每个l o m s 的无线帧期间，上下传输同样发生在两分离的频段 上，但是非同时进行。 t d d 帧结构中，每个l 一3 0 7 2 0 0 t 一1 0 m s 的无线帧包括两个 1 5 3 6 0 0 x z ；5 m s 的半帧，每个半帧又由5 个3 0 7 2 0 t = l m s 的子帧组成。 t d d 帧结构具体结构组成如图2 2 所示，图中d w p t s 、g p 和u p p t s 三部 分组成一个l m s 特殊子帧，具体三部分的时| h j 长度分配表及t d d 系统的上 下行子帧配置表在参考文献( 1 lj 中给出。每个正常上下行的l m s 子帧包含两个 哈尔演理t 人学t 学硕 ：学位论文 t s o t = 1 5 3 6 0 xt , 一0 5 m s 的时隙。t d d 帧结构中5 m s 1 0 m s 两种上下行转化 周期，在5 m s 转化周期中特殊子帧出现在每个半帧中，在1 0 m s 转化周期中 特殊子帧只出现在第一个半帧中。子帧0 、子帧5 和d w p t s 总预留用于下 行传输，u p p t s 和特殊子帧后的一个子帧总预留用于上行传输。 图2 1f d d 帧结构图 f i g 2 - 1i l l u s t r a t i o no ff d d f r a m es t r u c t u r e 一无线帧l 3 0 7 2 0 0 t , - l o r e s i一-半帧153600 xt-5ras ： 图2 - 2t d d 帧结构图 f i g 2 2i l l u s t r a t i o no ft d d f r a m es t r u c t u r e 2 1 2l t e 系统物理层下行链路 2 1 2 1 下行时隙结构l t e 系统中下行时隙结构的定义如图2 3 所示。每 一个下行时隙传输的信号用一个资源网格表示，网格大小为时域上 等n y 个子载波，频域上豫6 个o f d m 个符号。若的取值取决于下行 传输带宽的配置，并满足丢叽肌s 篙s 嚣毛砒，苦d 工= 6 、苦一一1 1 0 。 一个下行时隙中o f d m 符号的个数取决于c p ( c y c l i cp r e f i x ) 和子载波问隔的 配置，见表2 1 。下行资源网格中的每一个基本的元素称为一个资源要素 r e ( r e s o u r c ee l e m e n t s ) ，标记序号为f 七，z 1 ，k 和，分别是频域和时域上的索 引，每一个r e 对应一个复数值a 。，。时域上连续怎。个o f d m 符号和频域 上连续箩个子载波定义为一个资源块r b ( r e s o u r c eb l o c k s ) ，老b 和等的 j 哈尔滨理丁人学t 学顾i ：学位论文 取值见表2 1 。 表2 - 1 下行资源块参数表 t a b l e2 1d o w n l i n kr e s o u r c eb l o c k sp a r a m e t e r s 配置 n 蛩 ，d l 一s y m n 7 普通c p毯= 1 5 k h z 1 2 鹋一1 5k h z 6 扩展c p n = 7 5 k h z 2 43 2 1 2 2 下行物理信道及物理信号l t e 系统下行物理信道及其功能如下： p d s c h ( p h y s i c a ld o w n l i n ks h a r e dc h a n n e l ) 物理下行共享信道，用于传 输下行业务信息；p b c h ( p h y s i c a lb r o a d c a s tc h a n n e l ) 物理广播信道，用于传 输广播信息；p m c h ( p h y s i c a lm u l t i c a s tc h a n n e l ) 物理多播信道，用于传输多 播信息；p c f i c h ( p h y s i c a lc o n t r o lf o r m a ti n d i c a t o rc h a n n e l ) 物理控制格式指 示信道，用于传输c f i 信息，指示p d c c h 占用多少个o f d m 符号； p d c c h ( p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e l ) 物理下行控制信道，用于传输下 行控制信息；p h l c h ( p h y s i c a lh y b r i da u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s ti n d i c a t o r c h a n n e l ) 物理混合自动重传请求指示信道，用于传输上行业务的 a c l ( n a c k 信息； 2 1 2 3 下行物理信道及物理信号l t e 系统下行物理信号及其功能如下： r s ( r e f e r e n c es i g n a l ) 参考信号，l t e 系统物理层下行链路包括四种参考 信号：c e l l - s p c i f i cr s 、m b s f nr s ( m u l t i c a s t b r o a d c a s to v e rs i n g l ef r e q u e n c y n e t w o r kr s ) 、u e s p e c i f i cr s 、p o s i t i o n i n gr s 。其中c e l l s p c i f i cr s 用于信 号解调、c s i 计算等操作，m b s f nr s 用于多播广播业务的操作，u e s p e c i f i cr s 用于波束赋形传输模式下的信号解调，p o s i t i o n i n gr s 用于定位 计算；s s ( s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l ) 同步信号，l t e 系统物理层下行链路包括 两种同步信号：p s s ( p r i m a r ys s ) 并ns s s ( s e c o n d a r ys s ) 。其中p s s 用于计算 扇区i d ，定时同步，及频偏估计等操作，s s s 用于计算小区组i d ，频偏估 计等操作。 哈尔滨理t 人学_ t 学硕f ：学位论文 鲻 秘 阽 七 警 x 警 裂 搭 、二， 牛 是j 乏 先个o f d m 符号 二斗 ，一o j 一盎一1 图2 3 下行资源网格 f i g 2 3i l l u s t r a t i o no fd o w n l i n kr e s o u r c eg r i d 2 2l t e 系统物理层关键技术 块 o f d m t 2 3 。1 5 i 和m i m o 2 6 - 2 8 技术是l t e 及l t e a d v a n c e d 系统的核心技 术，是l t e 及l t e a d v a n c e d 系统的“灵魂 。本节将分别埘这两种技术进 行简介。 9 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 2 2 1o f d m 技术 对于移动无线数据通信系统而言，选择适当的调制和多址技术对于实现 良好的性能至关重要。典型的无线信道往往是离散和时变的，这就使得人们 多载波的应用产生了浓厚的兴趣。通常，多载波的方案就是把应用的信道带 宽划分为若干个并行的子信道，如图2 4 所示，每个子信道带宽范围内信道 是非频率选择性的，它的好处就是接收机在频域上容易补偿各子信道的增 益。o f d m 系统是一种多载波技术的特例，在o f d m 系统中，频率选择性 的宽带信道被划分为若干重叠但正交的非频率选择性的窄带信道，如图2 5 所示，这就避免了利用保护带宽来分离载波，因而使得系统具有更高的频谱 利用率。 图2 - 4 传统多载波调制系统频谱图 f i g 2 4i l l u s t r a t i o no ft r a d i t i o n a lm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o ns y s t e ms p e c t r u m 图2 5o f d m 系统系统频谱图 f i g 2 - 5i l l u s t r a t i o no fo f d ms y s t e ms p e c t r u m 2 2 1 1o f d m 技术的工作原理无线通信的过程中，高速串行的数据流发 送时通常会遇到符号周期互远小于信道的时延扩展7 = r 的问题。这样产生的 i s l ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 只能通过接受端的复杂均衡处理进行消除。通 常，均衡器的复杂度将与信道冲激响应长度的平方成币比增长。 o f d m 系统中，高速串行的数据符号流首先通过串并转换成m 路低速 并行的数据子载波。这使得每一路子载波的符号持续时间均增长了约m 倍，使其明显大于信道的时延扩展。假若在每个o f d m 调制符号传输期 间，信道的冲激响应保持不变。经过上述操作的后，接收机均衡处理的复杂 度将大幅降低。 图2 6 和图2 7 ，给出了o f d m 系统的典型发射机与接收机框图。定义 频域上的信号，经过串并转换器，将串行数据符号转化为了m 维数据块 哈尔滨理下人学t 学硕 ：学位论文 & 【& 【o 】，s k i l l ，s k m 一1 1 1 r ，下表k 是o f d m 符号序号，范围为肘个子载 波。m 路并行的数据流首先经过独立调制，形成复向量 x 。【x 。【0 】，t 【1 】，x k 【m - 1 1 r 。数据符号向量t 通过i f f t 运算得到一组 个复时域采样点以k 0 1 ，x 。 1 l ，t 【一1 】。在实际的o f d m 系统中，进行 i f f t 的子载波要远大于被调制的子载波( n m ) ，未调制的子载波将会被 补零。生成o f d m 信号的下一个重要的步骤就是循环前缀c p 的插入，以 此来消除多径传播引起的i s i 的残余影响，具体就是复制i f f t 输出信号的 最后g 个采样点，并把它们附加到五的起始处，从而形成c p ，得到时域 o f d m 信号屯k 【- c ，气【一1 】，【0 】，以【一1 】丁。为了完全消除 i s i ，设计的c p 长度g 必须要远大于其所支持的信道冲激相应的最大时延。 c p 将信道的线性卷积转换成了适合d f t 处理的循环卷积【2 9 1 。最后将经过上 述处理的信号进行并串转化后，通过频率选择性信道进行传输。 在o f d m 接收机一侧，通过逆处理解调o f d m 信号。这罩假定可获得 频率和时间的同步，除去相应c p 长度的采样值，只有完全没有i s i 的采样 数据块被送往了d f t 模块。当表示的子载波数目被设计为了2 的整数幂 时，可使用高效的f f t 将信号从时域变化回频域。从来自f f t 模块的个 数据流中，接收机可以选择m 个子载波的调制子集进行下面的数据解调等 处理，进而解得原信号。 tl 1 一u j 一 气 一1 一 fr n lyr n l 引0 ： 0 1 1 u j i i i “kl u j 一i - - 一 州1 ： 帅 半置【1 】p s 一匕 一 s p ： i f f t n - 2 弋r m 一7 1 yr m 一2 1 。il 1 ”一l i 4 kl 一 7 l 爿= 墨【m 一1 l l 米l x t 【m 一墨 x k 【n - q 一 图2 - 6o f d m 发射机 f i g 2 - 6i l l u s t r a t i o no fo f d m t r a n s m i t t e r 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 i 萎兰二) 鼍：循环前缀 l uj 。l u j 。 r 7 a + i = 1 】二 s p r f f n + g - 2 一【n 一塑 f f t 矿【+ g _ l 卜r k 【n 一1 】 图2 7o f d m 接收机 f i g 2 7i l l u s t r a t i o no fo f d m r e c e i v e r 2 2 1 2o f d m 技术的优缺点分析通过上文对o f d m 技术原理的概述， 可以得到o f d m 技术相对于传统通信技术有如下主要优点：o f d m 技术具 有更高的频谱利用率；o f d m 技术可以更好的对抗i s i ；o f d m 技术的接收 机的复杂度更低等。 。 当然，事物都是具有两面性的，o f d m 技术有其自身的优势，使得它 成为了未来通信系统的核心技术，但是它的缺点也同样明显，下面同样将列 举一些o f d m 技术的主要缺点：o f d m 技术具有较高的p a p r ( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) ；o f d m 技术对频率偏移十分敏感；o f d m 技术对同 步的性能要求较高等。 2 2 2m i m o 技术 m i m o 技术作为一种增强通信系统性能的有效技术，其价值在无线通 信领域的早期就得到了认可，与m i m o 技术相关的波束赋形概念最早可以 追溯到2 0 世纪6 0 年代的军事应用上。2 0 0 0 年左右伴随着大规模在商用无 线网络中的应用，m i m o 技术得到了越来越多的关注，之后m i m o 技术首 次出现在了蜂窝移动网络的标准之中，即h s d p a ( h i g hs p e e dd o w n l i n k p a c k e ta c c e s s ) 的r e l e a s e 7 版本中，使对m i m o 技术的应用达到了高潮。现 今l t e 系统更是成为首个从开始就将m i m o 技术的设计作为一个重要部分 的全球移动蜂窝系统，更加确认了m i m o 技术巨大的潜力与价值。 由于m i m 0 技术有别于o f d m 技术，其根据不同的应用场景可以采用 多种相异的实现方案，所以本部分对m i m o 技术的研究将结合l t e 系统的 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 物理层下行标准，针对l t e 系统下行的具体m i m o 方案进行研究，同时这 也为后续c o m p 技术的研究进行了铺垫。 m i m o 技术可以分为s u m i m o ( s i n g l e u s e r m i m o ) 和m u m i m o ( m u l t i p l eu s e rm i m o ) 两种。l t e 系统下行支持发射分集、空间复 用、波束赋形三种完善的s u m i m o 方案，对m u m i m o 的支持非常有 限，只支持信道秩为1 的传输。m u m i m o 是l t e a v a n c e d 系统中下行增 强型m i m o 部分的研究热点。下面仅对l t e 系统中完善的三种s u m i m o 方案进行介绍。 2 2 2 1 发射分集方案l t e 系统下行只支持两根或四根发射天线，数据流 ( l t e 系统中称为码字1 为一个的发射分集。为最大化分集的增益，天线通常 需要非相关或有不同的极化方向。 在两根发射天线的场景下，l t e 系统采用s f b c ( s p a c ef r e q u e n c yb l o c k c o d e s ) 的发射分集技术。s f b c 是s t b c ( s p a c et i m eb l o c kc o d e ) 技术的频域 版本，也为一种a l a m o u t i 码瑚l 。这种码的设计通过使发送的数据流是正 交，实现了线型接收机的最优信噪比，且这种码只有在两根发射天线的情况 下存在。 对于l t e 系统中的s f b c 传输，每对相邻子载波上来自两个天线端口 的